CN108377110B - 一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，包括外壳和盖板，外壳的上部设有盖板，外壳内设有抗磁悬浮系统和感应线圈，抗磁悬浮系统自上而下包括有提升永磁体、上热解石墨板、磁性转子和下热解石墨板，提升永磁体设置在盖板的下方，磁铁转子自由悬浮于上热解石墨板和下热解石墨板之间，提升永磁体与磁铁转子的磁化方向相同；上热解石墨板和下热解石墨板上固定有感应线圈；外壳的侧壁上设有相对的进气孔和排气孔，磁铁转子位于进气孔和排气孔之间。本发明利用抗磁悬浮技术将磁铁转子悬浮于热解石墨板之间，气体通过进气孔推动磁铁转子发生旋转，当磁铁转子旋转时引起感应线圈中磁通量变化产生交流电，从而将气流流动能转换为电能。

Description

一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器

技术领域

本发明涉及能量采集的技术领域，尤其涉及一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，可以将移动器械带来的气流流动能转化成电能，实现能量的采集。

背景技术

随着MEMS技术和无线传感网络的快速发展，无线传感网络被用于多重应用领域，比如环境监测、医疗远程诊断、军事应用和结构监测等领域。目前，这些无线传感网络中依然采用化学电池来为其供能，但是电池的能源有限，且寿命短、有污染，不是一种理想的供能方式。目前，环境中存在各种可以开发利用的能源，像太阳能、RF能、机械振动能、热能以及空气流动能。风力发电机是一种用来集空气流动能转换为电能的设备，但是这种发电机需要设置在特定场合，难以对微小气流的流动做响应，低速流动的气流也蕴含着巨大的能源，将该部分能源转换为可利用的电能为无线传感节点供能，对于实现器件的的自供能来说是一个有效途径。在现实生活中人体运动、车辆运动都会带来气流的流动，尤其是车辆行驶带来的气流流动是比较客观的，采用合适的装置将移动器械来的气流流动能量转换成电能，有较好的实用价值。

发明内容

针对现有技术不能实现低速气流流动转换的技术问题，本发明提出一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，可以将微小气流的流动能转化成电能，实现气流能量的采集，能为微电子器件提供能源。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，包括外壳和盖板，外壳的上部设有盖板，所述外壳内设有抗磁悬浮系统和感应线圈，所述抗磁悬浮系统自上而下包括有提升永磁体、上热解石墨板、磁铁转子和下热解石墨板，所述提升永磁体设置在盖板的下方，磁铁转子自由悬浮于上热解石墨板和下热解石墨板之间，提升永磁体与磁铁转子的磁化方向相同；所述上热解石墨板和下热解石墨板上固定有感应线圈；所述外壳的侧壁上设有相对的进气孔和排气孔，磁铁转子位于进气孔和排气孔之间。提升永磁体和磁铁转子之间存在磁吸引力，由于热解石墨板具有抗磁性，当磁铁转子靠近热解石墨板的时候，磁铁转子将受到一定的排斥力——抗磁力，在磁吸引力、抗磁力和重力的共同作用下，磁铁转子将自由悬浮于上热解石墨板和下热解石墨板之间，不与任何物体接触，磁铁转子与热解石墨板之间的间隙构成了两个气体轴承，因此，磁铁转子在转动过程中仅仅受到微弱的空气摩擦力。当气体从进气孔进入外壳的内部时，由于磁铁转子只受到微弱的空气摩擦力，微小的气流便能够推动磁铁转子旋转，磁铁转子旋转时就会引起感应线圈内磁通量发生周期性变化，感应线圈两端就会有感应电压，利用合适的能量管理电路可以将感应线圈的电能传输到微电子器件中加以利用。

所述磁铁转子具有多个均匀分布的叶片，叶片的形状是矩形、扇形、半圆形或者异形；磁铁转子采用钕铁硼磁体或者PVDF聚合物磁性材料制成。由于钕铁硼材料比较脆，难以采用传统的加工方法加工，但是钕铁硼磁铁能够导电，可以采用线切割的方式加工需要的叶片形状。

所述磁铁转子的中心开横截面呈梯形的孔，孔直径较大一端在下、直径较小一端在上。因此，磁铁转子的重心将被降低，有利于磁铁转子转动时的稳定。

所述磁铁转子具有六个均匀分布的异形叶片，每个叶片均沿顺时针方向倾斜，叶片的最大外径为18mm，叶片底端直径为10mm，厚度为1.5mm，叶片一条直边与直径为5.6mm的圆相切，两条直边的夹角为30°，磁铁转子的中心设有一个横截面为梯形的孔，孔的顶径为5mm，孔的底径为2mm，磁铁转子采用的材料为钕铁硼永磁体。这样结构的磁铁转子将有利于气体驱动转子的旋转

所述感应线圈设置在上热解石墨板和下热解石墨板上靠近磁铁转子的位置；感应线圈位于上热解石墨板和下热解石墨板的中部。

所述感应线圈的数量设有若干个，感应线圈围绕磁铁转子的中心轴均匀分布、且与磁铁转子的叶片相对应，感应线圈由导电性金属材料铜、铝、或银制成，感应线圈的外形呈矩形、圆形或者其他形状，感应线圈设置有多层。

所述提升永磁体为圆柱形或圆环形的钕铁硼磁体；所述提升永磁铁的直径为15mm、厚度为10mm、牌号为N52。圆柱形和圆环形的永磁体产生的磁场在同一水平面上同一圆周上的磁场大小、方向是一致的，磁铁转子无论怎么旋转受到的力的大小都是一样的，这有利磁体转子在转动过程中的稳定，同时磁铁转子和提升永磁体在外壳内自动关对中对齐。

所述上热解石墨板和下热解石墨板的外形呈圆柱形或正方体，上热解石墨板和下热解石墨板的厚度大于1mm；因为感应线圈需要设置在热解石墨板上，上热解石墨板和下热解石墨板的尺寸不小于感应线圈的整体尺寸。所述外壳为空心的呈圆柱体或长方体，外壳采用不导磁材料制成，防止磁铁转子吸附到外壳的侧壁上。

所述进气孔和排气孔与磁铁转子设置在同一水平面上，进气孔和排气孔的数量设有若干个，增大外壳内气体的流动。

所述进气孔处设置有呈喇叭形的导流通道，喇叭形的导流通道的大口端为气流进入端、小口端与外壳上的进气孔相连接。为了便于调节气流与高定向热解石墨转子的作用力方向，导流通道为设置在进气孔的气体引入口前端的呈锥形收缩的气流汇集结构，该气流汇集结构相对壳体在水平方向可转动一定角度范围，这样便于调节气流与高定向磁铁转子的作用角度。该气流汇集结构为一个呈喇叭形开口的喷管结构，外部气流通过该喷管结构被汇集并进入气体引入口，由于喷管结构的变截面特性，被汇入的气流的流速得以增大，进而气流与磁铁转子的作用力得到增加，有利于提高磁铁转子的转速，得到较好的电压输出特性。

本发明的有益效果：利用磁铁转子自由悬浮于抗磁悬浮系统中，在磁铁转子的上下表面构成空气轴承，当微小气流推动磁铁转子转动时，感应线圈内的磁通量会发生变化，进而在感应线圈内产生交流感应电压，通过外接线路能够有效地将空气流动能转换成电；在磁铁转子中心设有横截面为梯形的孔，孔的顶部直径大于孔的底部直径，转子的重心被降低，有利于磁铁转子旋转时的稳定。本发明利用抗磁悬浮技术将磁铁转子悬浮于热解石墨板之间，气体通过进气孔进入腔体，推动磁铁转子发生旋转，当磁铁转子旋转时将引起感应线圈中磁通量的变化，将有交流电产生，从而将气流流动能转换为电能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明爆炸图1的结构示意图。

图2为本发明爆炸图2的结构示意图。

图3为本发明中磁铁转子的结构示意图。

图4为本发明中感应线圈与下热解石墨板的结构示意图。

图5为本发明的装配图。

图6为本发明中导流通道与外壳连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-6所示，一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，包括外壳4和盖板1，外壳4的上部设有盖板1，所述外壳4内设有抗磁悬浮系统和感应线圈6，所述抗磁悬浮系统自上而下包括有提升永磁体3、上热解石墨板21、磁铁转子5和下热解石墨板22，所述提升永磁体3设置在盖板1的下方，提升永磁体3采用牌号为N52的圆柱形钕铁硼磁铁，其直径为15mm，厚度为10mm。磁铁转子5自由悬浮于上热解石墨板21和下热解石墨板22之间，不与任何物体接触，提升永磁体3与磁铁转子5的磁化方向相同；所述上热解石墨板21和下热解石墨板22上固定有感应线圈6；所述外壳1的侧壁上设有相对的进气孔和排气孔，磁铁转子5位于进气孔和排气孔之间。上热解石墨板21和下热解石墨板22的内侧面上共设有24个感应线圈6。进气孔和排气孔与磁铁转子5设置在同一水平面上，当气体从进气孔进入外壳内部时，由于磁铁转子只受到微弱的空气摩擦力，微小的气流便能够推动磁铁转子旋转，磁铁转子旋转时就会引起感应线圈内磁通量发生周期性变化，感应线圈两端就会有感应电压，利用合适的能量管理电路可以将电能传输到微电子器件中加以利用。

磁铁转子采用牌号为N35的钕铁硼磁铁制成，具有6个扇形的叶片，每个叶片的圆心角为30°，磁铁转子的最大直径为18mm，最小直径为10mm，厚度为1.2mm。

上热解石墨板21和下热解石墨板22的外形为圆柱形，直径为25mm，厚度为3mm。利用MEMS工艺将在热解石墨板面上加工12个矩形的铜质的感应线圈，这些感应线圈围绕磁铁转子5的中心轴均匀分布。外壳1的外形呈圆柱形，采用Teflon材料加工而成，外壳上加工有两个进气孔和一个排气孔，进气孔的轴线与磁铁转子5的边缘相切。

作为优选的，为了便于调节气流与高定向热解石墨板的作用力方向，进气孔的气体引入口前端设有呈锥形收缩的导流通道，该导流通道相对壳体在水平方向可转动一定角度范围，这样可以便于调节气流与高定向磁铁转子的作用角度。导流通道为一个呈喇叭形开口的喷管结构，外部气流通过该喷管结构被汇集并进入气体引入口，由于喷管结构的变截面特性，被汇入的气流的流速得以增大，进而气流与磁铁转子的作用力得到增加，有利于提高磁铁转子的转速、得到较好的电压输出特性。

本发明是利用磁铁转子自由悬浮于抗磁悬浮系统中，在磁铁转子的上下表面构成空气轴承，当微小气流推动磁铁转子转动时，感应线圈内的磁通量会发生变化，进而在感应线圈的内的产生交流感应电压，通过外接线路能够有效的将空气流动能转换成电能。

实施例2

如图1-6所示，一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，包括外壳4和盖板1，外壳4的上部设有盖板1，所述外壳4内设有抗磁悬浮系统和感应线圈6，所述抗磁悬浮系统自上而下包括有提升永磁体3、上热解石墨板21、磁铁转子5和下热解石墨板22，所述提升永磁体3设置在盖板1的下方，采用牌号为N52的圆柱形钕铁硼磁铁，其直径为12mm，厚度为10mm。所述上热解石墨板21和下热解石墨板22之间设有磁铁转子5，所述磁铁转子5自由悬浮于热解石墨板之间，不与任何物体接触，上热解石墨板21和下热解石墨板22的内侧面上共设有16个感应线圈6，所述提升永磁体3和磁铁转子5的磁化方向相同，外壳的侧壁上设有进气孔和排气孔，进气孔和排气孔与磁铁转子设置在同一水平面上。当气体从进气孔进入外壳内部时，由于磁铁转子只受到微弱的空气摩擦力，微小的气流便能够推动磁铁转子旋转，磁铁转子旋转时就会引起感应线圈内磁通量发生周期性变化，感应线圈两端就会有感应电压，利用合适的能量管理电路可以将电能传输到微电子器件中加以利用。

磁铁转子5采用牌号为N35的钕铁硼磁铁制成，具有4个扇形的叶片，每个叶片的圆心角为45°磁铁转子的大径为18mm，小径为10mm，厚度为1.2mm。

上热解石墨板21和下热解石墨板22的外形为圆柱形，直径为25mm，厚度为3mm。利用MEMS工艺将在上热解石墨板21和下热解石墨板22的面上加工8个六边形的感应线圈6，感应线圈的材料可以选用铜、银以及铝等导电金属材料，这些感应线圈围绕磁铁转子的中心轴均匀分布。外壳1的外形呈圆柱体，采用铝合金加工而成，外壳上加工有多个进气孔和排气孔，进气孔的轴线与磁铁转子的边缘相切。

作为优选的，为了便于调节气流与高定向热解石墨转子的作用力方向，进气孔的气体引入口前端设有呈锥形收缩的气流汇集结构，该气流汇集结构相对壳体在水平方向可转动一定角度范围，这样可以便于调节气流与高定向磁铁转子5的作用角度；该气流汇集结构为一个呈喇叭形开口的喷管结构，外部气流通过该喷管结构被汇集并进入气体引入口，由于喷管结构的变截面特性，被汇入的气流的流速得以增大，进而气流与磁铁转子的作用力得到增加，有利于提高磁铁转子的转速、得到较好的电压输出特性。本发明是利用磁铁转子自由悬浮于抗磁悬浮系统中，在磁铁转子的上下表面构成空气轴承，当微小气流推动磁铁转子转动时，感应线圈内的磁通量会发生变化，进而在感应线圈的内的产生交流感应电压，通过外接线路能够有效的将空气流动能转换成电能。

实施例3

如图1-6所示，本实施例是一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，包括外壳4和盖板1，外壳4的上部设有盖板1，所述外壳4内设有抗磁悬浮系统和感应线圈6，所述抗磁悬浮系统自上而下包括有提升永磁体3、上热解石墨板21、磁铁转子5和下热解石墨板22，所述提升永磁体3设于盖板1的下方，采用牌号为N52的圆柱形钕铁硼磁铁，其直径为15mm，厚度为10mm。所述上热解石墨板21和下热解石墨板22之间设有磁铁转子5，磁铁转子5自由悬浮，不与任何物体接触，所述上热解石墨板21和下热解石墨板22的内侧面上共设有12个感应线圈6，所述提升永磁体3和磁铁转子5的磁化方向相同，外壳1的侧壁上设有进气孔和排气孔，进气孔和排气孔与磁铁转子设置在同一水平面上，下热解石墨板22限位在外壳1的下部。当气体从进气孔进入外壳内部时，由于磁铁转子只受到微弱的空气摩擦力，微小的气流便能够推动磁铁转子旋转，磁铁转子旋转时就会引起感应线圈内磁通量发生周期性变化，感应线圈两端就会有感应电压，利用合适的能量管理电路可以将电能传输到微电子器件中加以利用。

磁铁转子5采用牌号为N42的钕铁硼磁铁制成，具有3个均匀分布的圆形的叶片，磁铁转子5的大径为20mm，小径为10mm，厚度为1.5mm。

上热解石墨板21和下热解石墨板22的外形为圆柱形，直径为30mm，厚度为5mm。利用MEMS工艺将在热解石墨板面上加工6个圆形的感应线圈，感应线圈的材料可以选用铜、银以及铝等导电金属材料，这些感应线圈围绕磁铁转子的中心轴均匀分布。外壳的外形呈圆柱形，采用亚克力材料加工而成，外壳上加工有两个进气孔和一个排气孔，进气孔的轴线与磁铁转子的边缘相切。

作为优选的，为了便于调节气流与高定向热解石墨转子的作用力方向，进气孔的气体引入口前端设有呈锥形收缩的气流汇集结构，该气流汇集结构相对壳体在水平方向可转动一定角度范围，这样可以便于调节气流与高定向磁铁转子5的作用角度；该气流汇集结构为一个呈喇叭形开口的喷管结构，外部气流通过该喷管结构被汇集并进入气体引入口，由于喷管结构的变截面特性，被汇入的气流的流速得以增大，进而气流与磁铁转子的作用力得到增加，有利于提高磁铁转子的转速、得到较好的电压输出特性。

本发明是利用磁铁转子自由悬浮于抗磁悬浮系统中，在磁铁转子的上下表面构成空气轴承，当微小气流推动磁铁转子转动时，感应线圈内的磁通量会发生变化，进而在感应线圈的内的产生交流感应电压，通过外接线路能够有效的将空气流动能转换成电能。

实施例4

如图1-6所示，本实施例是一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，包括外壳4和盖板1，外壳4的上部设有盖板1，所述外壳4内设有抗磁悬浮系统和感应线圈6，所述抗磁悬浮系统自上而下包括有提升永磁体3、上热解石墨板21、磁铁转子5和下热解石墨板22，所述提升永磁体3设于盖板1的下方，采用牌号为N52的圆环形钕铁硼磁铁，其外径为15mm，内径为10mm，厚度为10mm。所述上热解石墨板21和下热解石墨板22之间设有磁铁转子5，磁铁转子自由悬浮于热解石墨板之间，不与任何物体接触。上热解石墨板21和下热解石墨板22的内侧面上共设有12个感应线圈6，所述提升永磁体3和磁铁转子5的磁化方向相同，所述的外壳的侧壁上设有进气孔和排气孔，进气孔和排气孔与磁铁转子设置在同一水平面上。当气体从进气孔进入外壳内部时，由于磁铁转子只受到微弱的空气摩擦力，微小的气流便能够推动磁铁转子旋转，磁铁转子旋转时就会引起感应线圈内磁通量发生周期性变化，感应线圈两端就会有感应电压，利用合适的能量管理电路可以将电能传输到微电子器件中加以利用。

磁铁转子具有六个均匀分布的异形的叶片，每个叶片均沿顺时针方向倾斜，叶片的最大外径为18mm，叶片底端直径为10mm，厚度为1.5mm，叶片一条直边与直径为5.6mm的圆相切，两条直边的夹角为30°，其中心设有一个梯形孔，顶角为90°，孔的顶径为5mm，孔的底径为2mm，即其横截面为等腰梯形，等腰梯形两侧边组成的顶角为90度。材料为钕铁硼永磁体，牌号为N38。这样设置磁铁转子的形状将有利于气体驱动转子的旋转。

上热解石墨板21和下热解石墨板22的外形为圆柱形，直径为25mm，厚度为3mm。利用MEMS工艺将在热解石墨板面上加工6个圆形的感应线圈，感应线圈的材料可以选用铜、银以及铝等导电金属材料，这些感应线圈围绕磁铁转子的中心轴均匀分布。外壳1的外形呈圆柱形，采用亚克力材料加工而成，外壳上加工有两个进气孔和一个排气孔，进气孔的轴线与磁铁转子的边缘相切。

作为优选的，为了便于调节气流与高定向热解石墨转子的作用力方向，进气孔的气体引入口前端设有呈锥形收缩的气流汇集结构，该气流汇集结构相对壳体在水平方向可转动一定角度范围，这样可以便于调节气流与高定向磁铁转子5的作用角度；该气流汇集结构为一个呈喇叭形开口的喷管结构，外部气流通过该喷管结构被汇集并进入气体引入口，由于喷管结构的变截面特性，被汇入的气流的流速得以增大，进而气流与磁铁转子的作用力得到增加，有利于提高磁铁转子的转速、得到较好的电压输出特性。

本发明是利用磁铁转子自由悬浮于抗磁悬浮系统中，在磁铁转子的上下表面构成空气轴承，当微小气流推动磁铁转子转动时，感应线圈内的磁通量会发生变化，进而在感应线圈的内的产生交流感应电压，通过外接线路能够有效的将空气流动能转换成电能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于抗磁悬浮的气流能量采集器，包括外壳（4）和盖板（1），外壳（4）的上部设有盖板（1），其特征在于，所述外壳（4）内设有抗磁悬浮系统和感应线圈（6），所述抗磁悬浮系统自上而下包括有提升永磁体（3）、上热解石墨板（21）、磁铁转子（5）和下热解石墨板（22），所述提升永磁体（3）设置在盖板（1）的下方，磁铁转子（5）自由悬浮于上热解石墨板（21）和下热解石墨板（22）之间，提升永磁体（3）与磁铁转子（5）的磁化方向相同；所述上热解石墨板（21）和下热解石墨板（22）上固定有感应线圈（6）；所述外壳（1）的侧壁上设有进气孔和排气孔；

所述磁铁转子（5）具有多个均匀分布的叶片，叶片的形状是矩形、扇形、半圆形或者异形；所述磁铁转子（5）的中心开横截面呈梯形的孔，孔直径较大一端在上、直径较小一端在下；所述感应线圈（6）的数量设有若干个，感应线圈（6）围绕磁铁转子的中心轴均匀分布、且与磁铁转子（5）的叶片相对应；

所述进气孔处设置有呈喇叭形的导流通道，喇叭形的导流通道的大口端为气流进入端、小口端与外壳上的进气孔相连接。

2.根据权利要求1所述的基于抗磁悬浮的气流能量采集器，其特征在于，磁铁转子（5）采用钕铁硼磁体或者PVDF聚合物磁性材料制成。

3.根据权利要求2所述的基于抗磁悬浮的气流能量采集器，其特征在于，所述磁铁转子（5）具有六个均匀分布的异形叶片，每个叶片均沿顺时针方向倾斜，叶片的最大外径为18mm，叶片底端直径为10mm，厚度为1.5mm，叶片一条直边与直径为5.6mm的圆相切，两条直边的夹角为30°，磁铁转子（5）的中心设有一个横截面为梯形的孔，孔的顶径为5mm，孔的底径为2mm，磁铁转子（5）采用的材料为钕铁硼永磁体。

4.根据权利要求1所述的基于抗磁悬浮的气流能量采集器，其特征在于，在上热解石墨板（21）的下侧面和下热解石墨板（22）的上侧面设有感应线圈（6）；感应线圈（6）位于上热解石墨板（21）和下热解石墨板（22）的中部、与磁铁转子（5）的叶片位置相对应。

5.根据权利要求4所述的基于抗磁悬浮的气流能量采集器，其特征在于，所述感应线圈（6）由导电性金属材料铜、铝、或银制成，感应线圈（6）的外形呈矩形、圆形或者其他形状，感应线圈（6）设置有多层。

6.根据权利要求1所述的基于抗磁悬浮的气流能量采集器，其特征在于，所述提升永磁体（3）为圆柱形或圆环形的钕铁硼磁体；所述提升永磁铁（2）的直径为15mm、厚度为10mm、牌号为N52。

7.根据权利要求1所述的基于抗磁悬浮的气流能量采集器，其特征在于，所述上热解石墨板（21）和下热解石墨板（22）的外形呈圆柱形或正方体，上热解石墨板（21）和下热解石墨板（22）的厚度大于1mm；所述外壳（4）为空心的呈圆柱体或长方体，外壳（4）采用不导磁材料制成。

8.根据权利要求1所述的基于抗磁悬浮的气流能量采集器，其特征在于，所述进气孔和排气孔与磁铁转子（5）设置在同一水平面上，进气孔和排气孔的数量设有若干个。

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